6.2 Perubahan Energi dalam Reaksi Kimia

Perubahan energi yang terjadi selama reaksi kimia sebagai hubungan massa akan dibahas pada bagian bab berikutnya. Sebagai contoh, reaksi pembakaran melibatkan bahan bakar seperti gas alam (LPG 3 Kg, 5Kg dan 12 Kg) dan minyak bumi (minyak tanah dan bensin) yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Energi dilepaskan ketika gas alam dan minyak bumi dibakar menghasilkan produk air dan karbon dioksida.

Hampir semua reaksi kimia menyerap ataupun melepas energi, umumnya dalam bentuk panas (kalor). Penting untuk memahami perbedaan antara energi panas (thermal energy) dan panas (heat). Panas terjadi karena perpindahan energi panas antara dua benda pada suhu yang berbeda. Pada umumnya sering disebut sebagai "aliran panas" (kalor) dari benda bersuhu panas ke benda yang suhunya dingin. Meskipun istilah "kalor" dengan sendirinya menyiratkan perpindahan energi, umumnya lazim disebut "kalor yang diserap" atau "kalor yang dilepas" ketika digambarkan perubahan energi yang terjadi selama proses berlangsung. Termokimia adalah ilmu yang mempelajari perubahan energi dalam reaksi kimia.

Untuk menganalisis perubahan energi yang terkait dengan reaksi kimia, pertama-tama harus didefinisikan sistem, yaitu bagian tertentu dari alam semesta yang menjadi perhatian. Bagi ahli kimia, sistem biasanya termasuk zat yang terlibat dalam perubahan kimia dan fisika. Sebagai contoh, dalam sebuah percobaan reaksi netralisasi asam basa, sistem dapat berupa gelas yang berisi 50 mL HCl yang ditambahkan 50 mL NaOH. Lingkungan adalah alam semesta di luar sistem.

Ada tiga jenis sistem yaitu sistem terbuka, sistem tertutup dan sistem terisolasi. Sistem terbuka dapat bertukar massa dan energi (biasanya dalam bentuk kalor) dengan lingkungan. Sebagai contoh, sistem terbuka dapat terdiri dari sejumlah air di dalam wadah terbuka, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.1 (a). Jika kita menutup termos, seperti pada Gambar 6.1 (b), sehingga uap air tidak dapat keluar dari wadah, sehingga menjadi sistem tertutup, yang memungkinkan perpindahan energi (kalor) tetapi tidak untuk massa. Jika air ditempatkan dalam wadah yang benar-benar terisolasi, maka sistem yang terisolasi tidak memungkinkan perpindahan baik massa maupun energi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.1 (c).

Gambar 6.1. Tiga jenis sistem diwakili oleh air dalam botol: (a) sistem terbuka, yang memungkinkan pertukaran massa dan energi dengan lingkungannya; (b) sistem tertutup, yang memungkinkan pertukaran energi tetapi tidak untuk massa; dan (c) suatu sistem yang terisolasi, yang tidak memungkinkan pertukaran energi ataupun massa (di sini termos tertutup oleh jaket vakum).

Pembakaran gas hidrogen dengan oksigen adalah salah satu dari banyak reaksi kimia yang melepaskan sejumlah besar energi (Gambar 6.2):

2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l) + energi

Gambar 6.2 Bencana Hindenburg, suatu kapal udara Jerman diisi dengan gas hidrogen, hancur dalam sebuah kebakaran spektakuler di Lakehurst, New Jersey, pada tahun 1937.

Dalam peristiwa ini, campuran yang bereaksi (hidrogen, oksigen, dan molekul air) diberi label sebagai sistem dan alam semesta di sekitar sebagai lingkungan. Karena energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, maka setiap energi yang dilepas oleh sistem harus diterima oleh lingkungan. Dengan demikian, kalor yang dihasilkan oleh proses pembakaran dipindahkan dari sistem ke lingkungan. Reaksi ini adalah contoh dari proses eksotermik, yaitu proses yang melepaskan kalor, perpindahan energi panas dari sistem ke lingkungan. Gambar 6.3 (a) menunjukkan perubahan energi untuk pembakaran gas hidrogen.

Sekarang perhatikan reaksi berikut ini, dekomposisi merkuri (II) oksida (HgO) pada suhu tinggi:

energi + 2HgO(s) → 2Hg(l) + O₂g)

Reaksi ini adalah proses endotermis, di mana kalor harus diserap oleh sistem (yaitu HgO) dari lingkungan [Gambar 6.3 (b)].

Gambar 6.3 menunjukkan bahwa dalam reaksi eksotermis, energi total produk lebih kecil atau kurang dari total energi reaktan. Perbedaannya adalah kalor yang disediakan oleh sistem dilepas ke lingkungan. Justru sebaliknya yang terjadi dalam reaksi endotermis. Di sini, perbedaan antara energi produk dan energi reaktan sama dengan kalor yang diserap oleh sistem dari lingkungan.

Gambar 6.3. (a) Sebuah proses eksoterm. (b) Sebuah proses endoterm.

*Bagian (a) dan (b) tidak digambarkan pada skala yang sama; kalor yang dilepaskan dalam pembentukan  H₂O dari H₂ dan O₂ tidak sama dengan kalor yang diserap dalam dekomposisi HgO.

Ulasan Konsep

Klasifikasikan masing-masing contoh berikut sebagai sistem terbuka, sistem tertutup, atau sistem terisolasi.

(a) Susu disimpan dalam termos tertutup.
(b) Seorang siswa membaca di kamar asramanya.
(c) Udara di dalam bola tenis.

6.1 Sifat Energi dan Jenis Energi

Istilah "energi" akan sering digunakan dalam mempelajari termokimia pada bab ini. Energi merupakan contoh konsep kimia yang abstrak. Ketika seseorang merasa lelah, biasanya dikatakan bahwa ia kehabisan energi atau kekurangan energi. Negara-negara saat ini selalu berbicara tentang perlunya menemukan sumber energi alternatif untuk menggantikan sumber energi yang tak terbarukan. Tidak seperti materi, energi dikenal dan diakui keberadaannya hanya melalui pengaruhnya. Energi tidak dapat dilihat, tidak dapat disentuh, tidak berbau, dan tidak dapat ditimbang.

Energi didefinisikan sebagai kapasitas untuk melakukan kerja. Dalam pokok bahasan Gas (5.7) telah didefinisikan kerja sebagai "gaya dikalikan dengan perpindahan", tetapi sekarang akan segera dilihat bahwa ada jenis kerja yang lain. Semua bentuk energi mampu melakukan kerja (yaitu, gaya yang dikerahkan untuk melakukan perpindahan), tetapi tidak semuanya relevan dengan kimia. Energi yang terkandung dalam gelombang pasang, misalnya, dapat dimanfaatkan untuk melakukan kerja yang berguna, tetapi hubungan antara gelombang pasang dengan kimia hampir tidak ada. Kimiawan mendefinisikan kerja sebagai perubahan energi yang dihasilkan dari suatu proses. Energi kinetik (energi yang dihasilkan oleh benda yang bergerak) merupakan salah satu bentuk energi yang menjadi minat khusus untuk ahli kimia. Bentuk energi lainnya termasuk energi radiasi, energi panas, energi kimia, dan energi potensial.

Energi radiasi atau energi matahari atau tenaga surya berasal dari matahari yang merupakan sumber energi utama bagi bumi. Energi radiasi memanaskan atmosfer dan permukaan bumi, merangsang pertumbuhan vegetasi melalui proses yang dikenal sebagai fotosintesis dan mempengaruhi pola iklim global.

Energi panas adalah energi yang berkaitan dengan gerak acak dari atom dan molekul. Secara umum, energi panas dapat ditentukan dari pengukuran suhu. Semakin kuat gerakan atom dan molekul dalam sampel materi, semakin panas suhu sampel dan semakin besar energi panas yang dihasilkan. Namun, kita perlu membedakan dengan hati-hati antara energi panas dan suhu panas. Secangkir kopi pada 70°C memiliki suhu lebih besar dari bak mandi yang berisi air hangat dengan 40°C, tetapi energi panas yang disimpan dalam air bak mandi jauh lebih besar daripada dalam secangkir kopi, karena air dalam bak mandi memiliki volume dan massa yang jauh lebih besar daripada secangkir kopi, dan juga oleh karena molekul air lebih banyak maka gerak molekul lebih banyak juga.

Energi kimia yang disimpan dalam satuan struktural zat kimia; kuantitasnya ditentukan oleh jenis dan susunan atom penyusunnya. Ketika zat berpartisipasi dalam reaksi kimia, energi kimia dilepaskan, disimpan, atau diubah ke bentuk energi lainnya.

Energi potensial adalah energi yang tersedia berdasarkan posisi obyek. Misalnya, karena ketinggian, sebuah batu di atas tebing memiliki energi potensial yang lebih besar daripada batu yang sama yang terletak setengah jaraknya dari bawah tebing, dan akan membuat percikan besar jika jatuh ke dalam air di bawahnya . Energi kimia dapat dianggap sebagai bentuk energi potensial karena terkait dengan posisi relatif dan pengaturan atom dalam zat tertentu.

Semua bentuk energi secara prinsip dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Sinar matahari terasa hangat ketika berjemur di bawah sinar matahari karena energi radiasi diubah menjadi energi panas pada kulit. Ketika berolahraga, energi kimia yang tersimpan dalam tubuh seseorang digunakan untuk menghasilkan energi kinetik. Ketika bola mulai bergulir menuruni bukit, energi potensialnya diubah menjadi energi kinetik. Masih banyak contoh lainnya. Meskipun energi dapat diasumsikan dalam berbagai bentuk yang dapat diubah, para ilmuwan telah menyimpulkan bahwa energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan. Jika salah satu bentuk energi hilang atau berkurang, maka beberapa bentuk energi lain (yang sama besarnya) harus muncul, dan sebaliknya. Prinsip ini dirangkum oleh hukum kekekalan energi: jumlah total energi di alam semesta diasumsikan tetap.

6. Termokimia

KONSEP PENTING

• Dimulai dengan mempelajari jenis-jenis energi dan sifat energi, yang pada prinsipnya energi dapat diubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya. (6.1)
• Termokimia merupakan studi tentang perubahan energi dalam reaksi kimia. Dapt dilihat bahwa sebagian besar reaksi adalah endotermik (menyerap kalor) dan sebagian eksotermik (melepas kalor). (6.2)
• Termokimia sebagai bagian dari subjek studi yang lebih luas yang disebut termodinamika. Hukum pertama termodinamika didasarkan pada hukum kekekalan energi. Perubahan energi dalam yang dapat diekspresikan dalam hal perubahan kalor dan kerja yang dilakukan suatu sistem. (6.3)
• Istilah baru untuk energi, yang disebut entalpi, yang perubahannya berlaku untuk proses yang dilakukan dalam keadaan tekanan tetap. (6.4)
• Cara untuk mengukur kalor reaksi disebut kalorimetri, arti kalor jenis dan kapasitas kalor, kuantitas yang digunakan dalam pekerjaan eksperimental. (6.5)
• Entalpi pembentukan standar reaktan dan produk memungkinkan untuk menghitung entalpi suatu reaksi. Cara untuk menentukan entalpi reaksi baik dengan metode langsung atau dengan metode tidak langsung, yang didasarkan pada hukum Hess. (6.6)
• Perubahan kalor ketika zat terlarut dalam pelarut (kalor larutan) dan ketika larutan diencerkan (kalor pengenceran). (6.7)

Setiap reaksi kimia mematuhi dua hukum dasar: hukum kekekalan massa dan hukum kekekalan energi. Hubungan massa antara reaktan dan produk dibahas dalam Bab "Hubungan massa dalam reaksi kimia"; di bab ini dibahas perubahan energi yang menyertai reaksi kimia.